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<title>经典面试题：你觉得 Go 在什么时候会抢占 P？ - 花落雨忧</title>

<meta property="og:title" content="经典面试题：你觉得 Go 在什么时候会抢占 P？ - 花落雨忧">



    



    
    <meta property="description" content="大家好，我是煎鱼。
前几天我们有聊到《单核 CPU，开两个 Goroutine，其中一个死循环，会怎么样？》的问题，我们在一个细节部分有提到：
有新的小伙伴会产生更多的疑问，那就是在 Go 语言中，是如何抢占 P 的呢，这里面是怎么做的？
今天这篇文章我们就来解密抢占 P。
[&amp;hellip;] 在 Go 语言中，Goroutine 早期是没有设计成抢占式的，早期 Goroutine 只有读写、主 &amp;hellip;">
    <meta property="og:description" content="大家好，我是煎鱼。
前几天我们有聊到《单核 CPU，开两个 Goroutine，其中一个死循环，会怎么样？》的问题，我们在一个细节部分有提到：
有新的小伙伴会产生更多的疑问，那就是在 Go 语言中，是如何抢占 P 的呢，这里面是怎么做的？
今天这篇文章我们就来解密抢占 P。
[&amp;hellip;] 在 Go 语言中，Goroutine 早期是没有设计成抢占式的，早期 Goroutine 只有读写、主 &amp;hellip;">
    






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                                            <a href="/posts/go/gmp-why-p/">经典面试题：你觉得 Go 在什么时候会抢占 P？</a>
                                        </h2>
                                        
                                        <div class="post-byline">Published on
                                            <a class="date" href="javascript:;">2021/06/24</a>
                                            
                                            
                                            
                                            
                                            
                                        
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                                    <div class="post-content">
                                        <p>大家好，我是煎鱼。</p>
<p>前几天我们有聊到《单核 CPU，开两个 Goroutine，其中一个死循环，会怎么样？》的问题，我们在一个细节部分有提到：</p>
<p><img src="https://p3-juejin.byteimg.com/tos-cn-i-k3u1fbpfcp/6d9cdfb09590496daeca3675aae08611~tplv-k3u1fbpfcp-zoom-1.image" alt=""></p>
<p>有新的小伙伴会产生更多的疑问，那就是在 Go 语言中，是如何抢占 P 的呢，这里面是怎么做的？</p>
<p>今天这篇文章我们就来解密抢占 P。</p>
<h2 id="调度器的发展史">调度器的发展史</h2>
<p>在 Go 语言中，Goroutine 早期是没有设计成抢占式的，早期 Goroutine 只有读写、主动让出、锁等操作时才会触发调度切换。</p>
<p>这样有一个严重的问题，就是垃圾回收器进行 STW 时，如果有一个 Goroutine 一直都在阻塞调用，垃圾回收器就会一直等待他，不知道等到什么时候&hellip;</p>
<p>这种情况下就需要抢占式调度来解决问题。如果一个 Goroutine 运行时间过久，就需要进行抢占来解决。</p>
<p>这块 Go 语言在 Go1.2 起开始实现抢占式调度器，不断完善直至今日：</p>
<ul>
<li>Go0.x：基于单线程的程调度器。</li>
<li>Go1.0：基于多线程的调度器。</li>
<li>Go1.1：基于任务窃取的调度器。</li>
<li>Go1.2 - Go1.13：基于协作的抢占式调度器。</li>
<li>Go1.14：基于信号的抢占式调度器。</li>
</ul>
<p>调度器的新提案：非均匀存储器访问调度（Non-uniform memory access，NUMA），
但由于实现过于复杂，优先级也不够高，因此迟迟未提上日程。</p>
<p>有兴趣的小伙伴可以详见 Dmitry Vyukov, dvyukov 所提出的 <a href="https://docs.google.com/document/u/0/d/1d3iI2QWURgDIsSR6G2275vMeQ_X7w-qxM2Vp7iGwwuM/pub">NUMA-aware scheduler for Go</a>。</p>
<h2 id="为什么要抢占-p">为什么要抢占 P</h2>
<p>为什么会要想去抢占 P 呢，说白了就是不抢，就没机会运行，会 hang 死。又或是资源分配不均了，</p>
<p>这在调度器设计中显然是不合理的。</p>
<p>跟这个例子一样：</p>
<div class="highlight"><pre style="color:#f8f8f2;background-color:#272822;-moz-tab-size:4;-o-tab-size:4;tab-size:4"><code class="language-golang" data-lang="golang"><span style="color:#75715e">// Main Goroutine 
</span><span style="color:#75715e"></span><span style="color:#66d9ef">func</span> <span style="color:#a6e22e">main</span>() {
    <span style="color:#75715e">// 模拟单核 CPU
</span><span style="color:#75715e"></span>    <span style="color:#a6e22e">runtime</span>.<span style="color:#a6e22e">GOMAXPROCS</span>(<span style="color:#ae81ff">1</span>)
    
    <span style="color:#75715e">// 模拟 Goroutine 死循环
</span><span style="color:#75715e"></span>    <span style="color:#66d9ef">go</span> <span style="color:#66d9ef">func</span>() {
        <span style="color:#66d9ef">for</span> {
        }
    }()

    <span style="color:#a6e22e">time</span>.<span style="color:#a6e22e">Sleep</span>(<span style="color:#a6e22e">time</span>.<span style="color:#a6e22e">Millisecond</span>)
    <span style="color:#a6e22e">fmt</span>.<span style="color:#a6e22e">Println</span>(<span style="color:#e6db74">&#34;脑子进煎鱼了&#34;</span>)
}
</code></pre></div><p>这个例子在老版本的 Go 语言中，就会一直阻塞，没法重见天日，是一个需要做抢占的场景。</p>
<p>但可能会有小伙伴问，抢占了，会不会有新问题。因为原本正在使用 P 的 M 就凉凉了（M 会与 P 进行绑定），没了 P 也就没法继续执行了。</p>
<p>这其实没有问题，因为该 Goroutine 已经阻塞在了系统调用上，暂时是不会有后续的执行新诉求。</p>
<p>但万一代码是在运行了好一段时间后又能够运行了（业务上也允许长等待），也就是该 Goroutine 从阻塞状态中恢复了，期望继续运行，没了 P 怎么办？</p>
<p>这时候该 Goroutine 可以和其他 Goroutine 一样，先检查自身所在的 M 是否仍然绑定着 P：</p>
<ul>
<li>若是有 P，则可以调整状态，继续运行。</li>
<li>若是没有 P，可以重新抢 P，再占有并绑定 P，为自己所用。</li>
</ul>
<p>也就是抢占 P，本身就是一个双向行为，你抢了我的 P，我也可以去抢别人的 P 来继续运行。</p>
<h2 id="怎么抢占-p">怎么抢占 P</h2>
<p>讲解了为什么要抢占 P 的原因后，我们进一步深挖，“他” 是怎么抢占到具体的 P 的呢？</p>
<p>这就涉及到前文所提到的 <code>runtime.retake</code> 方法了，其处理以下两种场景：</p>
<ul>
<li>抢占阻塞在系统调用上的 P。</li>
<li>抢占运行时间过长的 G。</li>
</ul>
<p>在此主要针对抢占 P 的场景，分析如下：</p>
<div class="highlight"><pre style="color:#f8f8f2;background-color:#272822;-moz-tab-size:4;-o-tab-size:4;tab-size:4"><code class="language-golang" data-lang="golang"><span style="color:#66d9ef">func</span> <span style="color:#a6e22e">retake</span>(<span style="color:#a6e22e">now</span> <span style="color:#66d9ef">int64</span>) <span style="color:#66d9ef">uint32</span> {
	<span style="color:#a6e22e">n</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#ae81ff">0</span>
	<span style="color:#75715e">// 防止发生变更，对所有 P 加锁
</span><span style="color:#75715e"></span>	<span style="color:#a6e22e">lock</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">allpLock</span>)
	<span style="color:#75715e">// 走入主逻辑，对所有 P 开始循环处理
</span><span style="color:#75715e"></span>	<span style="color:#66d9ef">for</span> <span style="color:#a6e22e">i</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#ae81ff">0</span>; <span style="color:#a6e22e">i</span> &lt; len(<span style="color:#a6e22e">allp</span>); <span style="color:#a6e22e">i</span><span style="color:#f92672">++</span> {
		<span style="color:#a6e22e">_p_</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#a6e22e">allp</span>[<span style="color:#a6e22e">i</span>]
		<span style="color:#a6e22e">pd</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">_p_</span>.<span style="color:#a6e22e">sysmontick</span>
		<span style="color:#a6e22e">s</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#a6e22e">_p_</span>.<span style="color:#a6e22e">status</span>
		<span style="color:#a6e22e">sysretake</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#66d9ef">false</span>
		<span style="color:#f92672">...</span>
		<span style="color:#66d9ef">if</span> <span style="color:#a6e22e">s</span> <span style="color:#f92672">==</span> <span style="color:#a6e22e">_Psyscall</span> {
			<span style="color:#75715e">// 判断是否超过 1 个 sysmon tick 周期
</span><span style="color:#75715e"></span>			<span style="color:#a6e22e">t</span> <span style="color:#f92672">:=</span> int64(<span style="color:#a6e22e">_p_</span>.<span style="color:#a6e22e">syscalltick</span>)
			<span style="color:#66d9ef">if</span> !<span style="color:#a6e22e">sysretake</span> <span style="color:#f92672">&amp;&amp;</span> int64(<span style="color:#a6e22e">pd</span>.<span style="color:#a6e22e">syscalltick</span>) <span style="color:#f92672">!=</span> <span style="color:#a6e22e">t</span> {
				<span style="color:#a6e22e">pd</span>.<span style="color:#a6e22e">syscalltick</span> = uint32(<span style="color:#a6e22e">t</span>)
				<span style="color:#a6e22e">pd</span>.<span style="color:#a6e22e">syscallwhen</span> = <span style="color:#a6e22e">now</span>
				<span style="color:#66d9ef">continue</span>
			}
      
			<span style="color:#f92672">...</span>
		}
	}
	<span style="color:#a6e22e">unlock</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">allpLock</span>)
	<span style="color:#66d9ef">return</span> uint32(<span style="color:#a6e22e">n</span>)
}
</code></pre></div><p>该方法会先对 <code>allpLock</code> 上锁，这个变量含义如其名，<code>allpLock</code> 可以防止该数组发生变化。</p>
<p>其会保护 <code>allp</code>、<code>idlepMask</code> 和 <code>timerpMask</code> 属性的无 <code>P</code> 读取和大小变化，以及对 <code>allp</code> 的所有写入操作，可以避免影响后续的操作。</p>
<h3 id="场景一">场景一</h3>
<p>前置处理完毕后，进入主逻辑，会使用万能的 <code>for</code> 循环对所有的 P（allp）进行一个个处理。</p>
<div class="highlight"><pre style="color:#f8f8f2;background-color:#272822;-moz-tab-size:4;-o-tab-size:4;tab-size:4"><code class="language-golang" data-lang="golang">			<span style="color:#a6e22e">t</span> <span style="color:#f92672">:=</span> int64(<span style="color:#a6e22e">_p_</span>.<span style="color:#a6e22e">syscalltick</span>)
			<span style="color:#66d9ef">if</span> !<span style="color:#a6e22e">sysretake</span> <span style="color:#f92672">&amp;&amp;</span> int64(<span style="color:#a6e22e">pd</span>.<span style="color:#a6e22e">syscalltick</span>) <span style="color:#f92672">!=</span> <span style="color:#a6e22e">t</span> {
				<span style="color:#a6e22e">pd</span>.<span style="color:#a6e22e">syscalltick</span> = uint32(<span style="color:#a6e22e">t</span>)
				<span style="color:#a6e22e">pd</span>.<span style="color:#a6e22e">syscallwhen</span> = <span style="color:#a6e22e">now</span>
				<span style="color:#66d9ef">continue</span>
			}
</code></pre></div><p>第一个场景是：会对 <code>syscalltick</code> 进行判定，如果在系统调用（syscall）中存在超过 1 个 sysmon tick 周期（至少 20us）的任务，则会从系统调用中抢占 P，否则跳过。</p>
<h3 id="场景二">场景二</h3>
<p>如果未满足会继续往下，走到如下逻辑：</p>
<div class="highlight"><pre style="color:#f8f8f2;background-color:#272822;-moz-tab-size:4;-o-tab-size:4;tab-size:4"><code class="language-golang" data-lang="golang"><span style="color:#66d9ef">func</span> <span style="color:#a6e22e">retake</span>(<span style="color:#a6e22e">now</span> <span style="color:#66d9ef">int64</span>) <span style="color:#66d9ef">uint32</span> {
	<span style="color:#66d9ef">for</span> <span style="color:#a6e22e">i</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#ae81ff">0</span>; <span style="color:#a6e22e">i</span> &lt; len(<span style="color:#a6e22e">allp</span>); <span style="color:#a6e22e">i</span><span style="color:#f92672">++</span> {
		<span style="color:#f92672">...</span>
		<span style="color:#66d9ef">if</span> <span style="color:#a6e22e">s</span> <span style="color:#f92672">==</span> <span style="color:#a6e22e">_Psyscall</span> {
			<span style="color:#75715e">// 从此处开始分析
</span><span style="color:#75715e"></span>			<span style="color:#66d9ef">if</span> <span style="color:#a6e22e">runqempty</span>(<span style="color:#a6e22e">_p_</span>) <span style="color:#f92672">&amp;&amp;</span> 
      <span style="color:#a6e22e">atomic</span>.<span style="color:#a6e22e">Load</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">sched</span>.<span style="color:#a6e22e">nmspinning</span>)<span style="color:#f92672">+</span><span style="color:#a6e22e">atomic</span>.<span style="color:#a6e22e">Load</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">sched</span>.<span style="color:#a6e22e">npidle</span>) &gt; <span style="color:#ae81ff">0</span> <span style="color:#f92672">&amp;&amp;</span> 
      <span style="color:#a6e22e">pd</span>.<span style="color:#a6e22e">syscallwhen</span><span style="color:#f92672">+</span><span style="color:#ae81ff">10</span><span style="color:#f92672">*</span><span style="color:#ae81ff">1000</span><span style="color:#f92672">*</span><span style="color:#ae81ff">1000</span> &gt; <span style="color:#a6e22e">now</span> {
				<span style="color:#66d9ef">continue</span>
			}
			<span style="color:#f92672">...</span>
		}
	}
	<span style="color:#a6e22e">unlock</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">allpLock</span>)
	<span style="color:#66d9ef">return</span> uint32(<span style="color:#a6e22e">n</span>)
}
</code></pre></div><p>第二个场景，聚焦到这一长串的判断中：</p>
<ul>
<li><code>runqempty(_p_) == true</code> 方法会判断任务队列 P 是否为空，以此来检测有没有其他任务需要执行。</li>
<li><code>atomic.Load(&amp;sched.nmspinning)+atomic.Load(&amp;sched.npidle) &gt; 0</code> 会判断是否存在空闲 P 和正在进行调度窃取 G 的 P。</li>
<li><code>pd.syscallwhen+10*1000*1000 &gt; now</code> 会判断系统调用时间是否超过了 10ms。</li>
</ul>
<p>这里奇怪的是 <code>runqempty</code> 方法明明已经判断了没有其他任务，这就代表了没有任务需要执行，是不需要抢夺 P 的。</p>
<p>但实际情况是，由于可能会阻止 sysmon 线程的深度睡眠，最终还是希望继续占有 P。</p>
<p>在完成上述判断后，进入到抢夺 P 的阶段：</p>
<div class="highlight"><pre style="color:#f8f8f2;background-color:#272822;-moz-tab-size:4;-o-tab-size:4;tab-size:4"><code class="language-golang" data-lang="golang"><span style="color:#66d9ef">func</span> <span style="color:#a6e22e">retake</span>(<span style="color:#a6e22e">now</span> <span style="color:#66d9ef">int64</span>) <span style="color:#66d9ef">uint32</span> {
	<span style="color:#66d9ef">for</span> <span style="color:#a6e22e">i</span> <span style="color:#f92672">:=</span> <span style="color:#ae81ff">0</span>; <span style="color:#a6e22e">i</span> &lt; len(<span style="color:#a6e22e">allp</span>); <span style="color:#a6e22e">i</span><span style="color:#f92672">++</span> {
		<span style="color:#f92672">...</span>
		<span style="color:#66d9ef">if</span> <span style="color:#a6e22e">s</span> <span style="color:#f92672">==</span> <span style="color:#a6e22e">_Psyscall</span> {
			<span style="color:#75715e">// 承接上半部分
</span><span style="color:#75715e"></span>			<span style="color:#a6e22e">unlock</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">allpLock</span>)
			<span style="color:#a6e22e">incidlelocked</span>(<span style="color:#f92672">-</span><span style="color:#ae81ff">1</span>)
			<span style="color:#66d9ef">if</span> <span style="color:#a6e22e">atomic</span>.<span style="color:#a6e22e">Cas</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">_p_</span>.<span style="color:#a6e22e">status</span>, <span style="color:#a6e22e">s</span>, <span style="color:#a6e22e">_Pidle</span>) {
				<span style="color:#66d9ef">if</span> <span style="color:#a6e22e">trace</span>.<span style="color:#a6e22e">enabled</span> {
					<span style="color:#a6e22e">traceGoSysBlock</span>(<span style="color:#a6e22e">_p_</span>)
					<span style="color:#a6e22e">traceProcStop</span>(<span style="color:#a6e22e">_p_</span>)
				}
				<span style="color:#a6e22e">n</span><span style="color:#f92672">++</span>
				<span style="color:#a6e22e">_p_</span>.<span style="color:#a6e22e">syscalltick</span><span style="color:#f92672">++</span>
				<span style="color:#a6e22e">handoffp</span>(<span style="color:#a6e22e">_p_</span>)
			}
			<span style="color:#a6e22e">incidlelocked</span>(<span style="color:#ae81ff">1</span>)
			<span style="color:#a6e22e">lock</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">allpLock</span>)
		}
	}
	<span style="color:#a6e22e">unlock</span>(<span style="color:#f92672">&amp;</span><span style="color:#a6e22e">allpLock</span>)
	<span style="color:#66d9ef">return</span> uint32(<span style="color:#a6e22e">n</span>)
}
</code></pre></div><ul>
<li>解锁相关属性：需要调用 <code>unlock</code> 方法解锁 <code>allpLock</code>，从而实现获取 <code>sched.lock</code>，以便继续下一步。</li>
<li>减少闲置 M：需要在原子操作（CAS）之前减少闲置 M 的数量（假设有一个正在运行）。 否则在发生抢夺 M 时可能会退出系统调用，递增 nmidle 并报告死锁事件。</li>
<li>修改 P 状态：调用 <code>atomic.Cas</code> 方法将所抢夺的 P 状态设为 idle，以便于交于其他 M 使用。</li>
<li>抢夺 P 和调控 M：调用 <code>handoffp</code> 方法从系统调用或锁定的 M 中抢夺 P，会由新的 M 接管这个 P。</li>
</ul>
<h2 id="总结">总结</h2>
<p>至此完成了抢占 P 的基本流程，我们可得出满足以下条件：</p>
<ol>
<li>如果存在系统调用超时：存在超过 1 个 sysmon tick 周期（至少 20us）的任务，则会从系统调用中抢占 P。</li>
<li>如果没有空闲的 P：所有的 P 都已经与 M 绑定。需要抢占当前正处于系统调用之，而实际上系统调用并不需要的这个 P 的情况，会将其分配给其它 M 去调度其它 G。</li>
<li>如果 P 的运行队列里面有等待运行的 G，为了保证 P 的本地队列中的 G 得到及时调度。而自己本身的 P 又忙于系统调用，无暇管理。此时会寻找另外一个 M 来接管 P，从而实现继续调度 G 的目的。</li>
</ol>
<h2 id="参考">参考</h2>
<ul>
<li><a href="https://docs.google.com/document/u/0/d/1d3iI2QWURgDIsSR6G2275vMeQ_X7w-qxM2Vp7iGwwuM/pub">NUMA-aware scheduler for Go</a></li>
<li><a href="https://golang.design/under-the-hood/zh-cn/part2runtime/ch06sched/preemption/#p-">go-under-the-hood</a></li>
<li><a href="https://tiancaiamao.gitbooks.io/go-internals/content/zh/05.5.html">深入解析 Go-抢占式调度</a></li>
<li><a href="https://cloud.tencent.com/developer/article/1450290">Go语言调度器源代码情景分析</a></li>
</ul>


                                        
                                        
                                        
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                                            <li>
                                                <a href="/tags/%e9%9d%a2%e8%af%95%e9%a2%98" title="View all posts tagged match">面试题</a>
                                            </li>
                                            
                                            </ul>
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                                                <a href="https://www.lican.site/posts/go/go-empty-struct/"
                                                    rel="prev">用 Go struct 不能犯的一个低级错误！</a> </div>
                                            
                                            
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                            var menuPrimaryContainer = $('#menu-primary-container');
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                    })(jQuery);
                </script>
            </p>
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                    target="_blank">gonews</a>: &nbsp;Daily news for golang<br>
                
                <a href="https://github.com/idoubi/sql2struct"
                    target="_blank">sql2struct</a>: &nbsp;Generate go struct according to SQL<br>
                
                <a href="https://github.com/idoubi/goz"
                    target="_blank">goz</a>: &nbsp;Request library used in golang<br>
                
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